通信原理课件资料汇编.docx

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通信原理课件资料汇编

第一章绪论

1.1通信系统模型

一．通信系统

通信——消息由一地向另一地的传递。

通信系统——完成通信过程的全部设备和传输媒质。

二．通信系统模型

三．模拟通信与数字通信

1．消息分：

连续消息（模拟消息）——消息状态连续变化。

如：

语音、图象

离散消息（数字消息）——消息状态可数或离散。

如：

符号、文字、数据

2．信号是消息的表现形式，消息被承载在电信号的某一参量上。

因此信号分：

模拟信号——电信号的该参量连续取值。

如：

普通电话机发的语音信号

数字信号——电信号的该参量离散取值。

如：

计算机内总线的信号

模拟信号和数字信号可以互相转换。

因此，任何一个消息既可以用模拟信号表示，也可以用数字信号表示。

3．信道中传输的是模拟信号——模拟通信系统；传输的是数字信号——数字通信系统。

四．模拟通信系统

基带信号——由消息转化而来的原始模拟信号。

一般含直流和低频，不宜直接传输。

已调信号——由基带信号转化来的，频带适合信道传输的信号。

又称频带信号。

模拟通信系统的主要内容是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。

五．

数字通信系统

信源编/译码器——模拟数字信号转换加/解密器——保密传输信道编/译码器——差错控制调制/解调器——传输、复用以上各个功能框可根据需要设置。

数字通信系统的主要内容就是研究这些功能框的实现方法。

六．数字通信的特点

集成化，小型化再生中继，抗干扰能力强保密性强差错控制，改善传输质量支持各种消息的传递代价：

频带利用率低

1.2通信系统的分类与通信方式

一．通信系统分类

1．按消息分：

电报系统、电话系统、数据系统、图象系统

2．按调制方式分：

基带传输、频带传输（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）

3．按媒质上的信号分：

模拟系统、数字系统

4．按传输媒质（信道）分：

有线系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线系统（长波、中波、短波、微波、卫星）

5．按复用方式分：

频分复用、时分复用、码分复用

二．通信方式

1．按消息传送的方向和时间分：

单工、半双工、全双工

2．按数字信号的排列顺序分：

串序、并序

3．按连接形式分：

专线直通（点对点）、交换网络（多点对多点）

1.3信息极其度量

通信的目的是传递信息。

信息可以被理解为消息中包含的有意义的内容。

当得到消息后，若事先猜测消息中所描述的事件发生的可能性越小，则此消息的信息量越大。

信息量可以用消息所描述的事件发生的概率来描述。

一．信息量的定义设消息所代表的事件出现的概率为P（x），则该消息所含的信息量I为：

a=2

单位：

比特（bit）

I=-logaP（x）

a=e

单位：

奈特（nit）

a=10

单位：

哈特莱

二．等概率离散消息的信息量

信源有M种消息，这M种消息独立等概率出现，传送M个消息中的一个，等价于传送一个M进制的码元（波形）。

一个M进制码元（波形）的信息量I=-log2（1/M）=log2M（bit）

一个二元码的信息量I=log22=1（bit）

三．不等概离散消息的信息量

设信源由n个符号组成，各个符号xi出现的概率为P（xi），且有

，则每一符号的平均信息量（信源的熵）为：

（bit/符号）当各符号等概率时，信源熵值最大：

Hmax=log2n（bit/符号）设消息包含m个符号，该消息的信息量为：

I=mH（bit）

四．连续消息的平均信息量

f（x）——连续消息出现的概率密度

1.4主要性能指标：

有效性（速度）、可靠性（质量）、适应性、经济性、可维护性等

一.模拟通信系统性能指标

1．速度指标：

单位时间内传输的信息量。

通常用频带利用率来衡量

2．质量指标：

接收信号与发送信号的均方误差。

对于加性噪声系统，通常用输出信噪比表示。

二.数字通信系统性能指标

1．速度指标码元速率RBN：

每秒传送码元的数目。

单位：

B信息速率Rb：

每秒传送的信息量。

单位：

b/s,bpsRb=RBNlog2N（bit/s）

2．质量指标误码率PB：

码元被错误接收的概率。

误信率Pb：

传输每比特信息发生错误接收的概率。

第二章随机信号分析

2.1确知信号的频谱分析

一．付立叶变换任一信号有两种表示方法：

时域表示法

：

信号的大小随时间的变化。

频域表示法

：

信号的振幅和相位随频率成分的变化。

两种表示法互相对应，记做：

。

变换式为：

为模，表示幅度谱；

为幅角，表示相位谱。

二.付氏变换的性质

若

性质

时间函数

频谱函数

物理含义

线性

信号叠加，频谱叠加

时移

时域内发生延时，频域内幅度谱不变，只发生相移

频移

调制可使基带信号移至适当频带传输

比例

脉冲信号速度越高，脉宽越窄，传输时需要频带越宽

对偶

复共轭

微分

时域

频域

积分

时域

频域

卷积

时域

卷积性质：

频域

二．常用信号的付氏变换

信号

1冲激函数

1

常数

1

周期性

冲激串

2三角函数

余弦函数

正弦函数

3门函数（单脉冲）

周期性

脉冲串

4三角波

5阶越函数

6指数函数

三.功率谱密度和能量谱密度

1．功率信号：

时间无限的信号，具有无限的能量，但平均功率有限。

2．能量信号：

时间有限的信号，信号能量有限，在全部时间内的平均功率为0。

3．信号的功率（能量）：

电压（电流）f（t）加在单位电阻上消耗的功率（或能量）。

信号的瞬时功率（能量）为

，总功率（能量）为

。

4．能量信号的能量和能量谱密度

（实函数时，F（-w）=F*（w））

定义：

能量谱密度

，能量

5．无限非周期信号的平均功率和功率谱密度

用fT（t）代表无限信号f（t）在（-T/2,T/2）上的截断函数，只要T有限，fT（t）就有能量：

当T∞时，其平均功率为：

定义：

功率谱密度

平均功率

5．无限周期信号的平均功率和功率谱密度

功率谱密度

，平均功率

Cn为各个频率点的幅度，|Cn|2为nwT分量的平均功率

四.信号通过线性系统

1．

系统的传递函数

以冲激函数δ（t）作为激励，通过系统后的响应h（t）为该系统的传递函数

2．线性系统——满足叠加定理

若激励f1（t）和f2（t）的响应分别是r1（t）和r2（t），则激励af1（t）+bf2（t）的响应是ar1（t）+br2（t）。

3．确知信号通过线性系统已知：

h（t）=δ（t）*h（t）利用叠加定理：

r（t）=f（t）*h（t）

利用时域卷积定理：

R（w）=F（w）H（w）

2.2随机过程

一．概念

1．随机变量2.随机过程3.随机过程的一个实现

随机过程没有确定的时间函数，只能从统计角度，用概率分布和数字特征来描述。

二.统计特性

1．概率分布

随机过程ξ（t）在任一时刻t1的取值是随机变量，则随机变量ξ（t1）的取值小于等于某一数值x1的概率为ξ（t）的一维概率分布函数：

ξ（t）的一维概率密度函数：

ξ（t）的n维概率分布函数和n维概率密度函数分别是：

2．数学期望

3．物理意义：

表示随机过程在某时刻的摆动中心（平均值）

4．方差

物理意义：

表示随机过程在某时刻的取值（随机变量）对该时刻的期望的偏离程度

5．协方差函数

物理意义：

表示随机过程在两个时刻间的线性依从关系

5．相关函数

物理意义：

表示随机过程在两个时刻的取值的关联程度，ξ（t）变化越平缓，两个时刻取值的相关性越大，R值越大

2.3平稳随机过程极其特点

一．定义:

若随机过程的n维概率分布函数Fn（）和n维概率密度函数fn（）与时间起点无关，则为平稳随机过程

二．特点

1．统计特性与时间起点无关a（t）a;σ2（t）σ2;R（t1,t2）R（τ）

2．各态历经性。

设x（t）是ξ（t）的任一实现，ξ（t）的统计平均=x（t）的算术平均

3．以相关函数表示随机过程的物理特性ξ（t）的平均功率：

S=E[ξ2（t）]=R（0）

ξ（t）的直流功率：

a2=E2[ξ（t）]=R（∞）ξ（t）的交流功率：

σ2=R（0）-R（∞）

4．频谱特性

ξ（t）的功率谱：

，即：

ξ（t）的平均功率：

，即：

平均功率=功率谱曲线下的面积

2.4噪声

一．噪声种类

单频噪声

脉冲噪声

起伏噪声

热噪声

散弹噪声

宇宙噪声

二．高斯白噪声

1．时域特性——高斯分布

2．随机变量ξ，若概率密度函数为

，则称ξ服从高斯分布（正态分布）ξ的分布函数：

定义：

概率积分函数——

误差函数——

互补误差函数——

随机过程ξ（t），在任一时刻的取值（随机变量）都符合高斯分布，则称ξ（t）服从高斯分布。

其n维概率密度函数为：

各种起伏噪声，在任一时刻，噪声的振幅都符合均值a=0的高斯分布，故称为高斯噪声。

3．频域特性——近似白噪声

功率谱密度在整个频域内都均匀分布，称之为白噪声。

双边功率谱密度函数为：

Pn（w）=n0/2

单边功率谱密度函数为：

Pn（w）=n0

各种起伏噪声，在相当宽的频域内具有平坦的功率谱，故近似认为是白噪声。

白噪声的自相关函数为：

。

仅在τ=0时，R（τ）=0，说明白噪声在任意两个时刻上的取值都是不相关的。

三．窄带噪声

1．定义表示法1：

aξ（t）对应信号的包络，φξ（t）对应信号的相位，wc=2πfc窄带信号的中心频率（载频）表示法2：

——同相分量；

——正交分量

窄带噪声可由高斯白噪声经过窄带滤波器得到。

窄带噪声的ξ（t）、ξc（t）、ξs（t）都是均值a=0的平稳高斯白噪声；ξ（t）、ξc（t）、ξs（t）的平均功率（方差）相同，为σ2

2．时域特性——瑞利分布ξ（t）包络aξ（t）的一维分布符合瑞利分布，

相位φξ（t）的一维分布符合均匀分布，

4．频域特性——窄带白噪声

5．等效带宽

6．窄带噪声功率谱密度为：

Pn（w）在±w0处有最大值Pn（±w0）

定义：

等效带宽Bn=wn/2π

物理意义：

使用等效带宽的概念，可以认为窄带噪声功率谱Pn（w）在带宽Bn内是平坦的，等于Pn（w0）

四．正弦波加窄带噪声

1．时域特性

合成信号

，

包络

符合广义瑞利分布

I0（x）为0阶修正贝塞尔函数

2．频域特性

窄带白噪声加线谱

2.5随机过程通过系统

一．随机过程通过线性系统

随机过程ξi（t）通过线性系统h（t），其输出也是随机过程，ξo（t）=ξi（t）*h（t）

性质：

若ξi（t）是平稳随机过程，则

1．期望：

E[ξo（t）]=E[ξi（t）]H（0）与t无关

2．自相关函数：

Ro（t1,t1+τ）=Ro（τ）与t1无关

3．功率谱密度函数：

4．概率分布：

若ξi（t）是高斯型的，经过线性系统后的ξo（t）也是高斯型的。

加性噪声通过线性系统后仍是加性噪声

二．

随